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Bandverhältnis-Radiometer
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I)ie Erfindung bezieht sicll auf das Gebiet der optischen Radiometrie.
Optische Radiometrie ist die Wissenschaft der Messung von Oberflächentemperaturen
von Körpern mittels der optischen Strahlung, die sie emittieren. Das Wort "optisch"
bezieht sich dabei auf elektromagnetische Strahlung, die das Spektrum von den Gammastrahlen
und Röntgenstrahlen über den Ultraviolett-, den sichtbaren und den Infrarotbereich
bis zu einer Wellenlänge von etwa 1 mm überdeckt, bei der die Funkwellenlängen beginnen.
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In Zusammenhang mit Temperaturmessungen wird die Bezeichnung "Pyrometrie"
häufig auf den Teilbereich der ltadiometrie angewendet, der sich mit heißen oder
glühenden Oberflächen befaßt. "Optische Pyrometrie" oder "Helligkeitspyrometrie"
verwendet sichtbares Licht zur Messung der Temperaturen glühender Körper, während
"Strahlungspyrometrie" den gleichen Vorgang, jedoch unter Verwendung von Infrarotstrahlung
beschreibt. Die Bezeichnung "Radiometrie" ist umfassender als
diese,
ja 5 Le Messungen kalter Körper enthält.
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Viele optische Pyrometer wurden angegeben, die sichtbares Licht.simultan
in zwei Wellenlängenbereichen messen. Ausgenutzt wird das Verhältnis der Lichtintensitäten
zur Überwindung bestimmter Probleme bei der Verwendung eines einzigen Wellenlängenbereiches.
Derartige Einrichtungen sind sogenannte "Zweifarben-Pyrometer" oder "Verhältnis-bzw.
Ratio-Pyrometer".
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das Verhältnisverfahren kann in gleicher weise auch bei gekühlten
Gegenständen verwendet werden durch Verwendung zweier Wellenlägenbänder in dem Infrarotbereich.
In diesem Fall wird dieses Verfahren als "Zweiwellenlängen-Radiometrie" bezeichnet,
obwohl auch die Bezeichnung "Zweifarben-Radiometrie" häufig verwendet wird. Andere
Bezeichnungen, die die obigen Verfahren beschreiben, sind ebenfalls üblich, beispielsweise
"Dualwellenlägen-", "Zweiband-", "Multispektral-", "dichromatische " und "spektrales
Strahlungsverhältnis" zusammen mit entweder "Radiometrie" oder "Pyrometrie".
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Die Verhältnis-Radiometrie wird seit mehreren Jahrzehnten als Erweiterung
des grundsätzlichen radiometrischen Verfahrens der Temperaturmessung verwendet.
Deren primärer Zweck ist es, die Wirkungen eines Target-Oberflächenemissionsvermögens
zu beseitigen durch Annahme, daß dieses in beiden Wellenlängenbereichen gleich ist,
die abgetastet werden. Weiter kann mittels des Verfahrens jede Differenz der der
Emissionsvermögen kompensiert werden unter Voraussetzung, daß deren Verhältnis bekannt
ist und während der Messung konstant bleibt.
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Das Wesen der optischen und Zweiwellenlängen-Radiometrie wurde bereits
sehr ausführlich erläutert, es wird beispielsweise
verwiesen auf
Hornbeck, "Optical Methods of Temperature Measurement," Applied Optics, Bd. 5 (Feb.
1966) Nr. 2, s. 179-186, und Horman, "Temperature Analysis from Multispectral Infrared
Date," Aplied Optics, Bd. 15 (Sept. 1976) Nr. 9, 5. 2099-2104. Deshalb wer<jen
diese Grundlagen lediglich kurz erläutert.
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Der Vorgang der Strahlungsemission von einer theoretisch vollkommenen
emittierenden Fläche (einem schwarzen Körper) wird durch das Planck'sche Strahlungsgesetz
beschrieben: J# = c1 # -5(ec2/#T - 1)-1 ..... (1), mit Ja = Strahlungsintensität
bei der Wellenlänge # in W/cm3, c1 = 3,7 . 10-12 W.cm², C2 = 1 43 cm = = Wellenlänge
in cm, e = 2,718, T = absolute Temperatur in K.
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Für die Temperatur- und Wellenlängenbereiche, die im hier vorliegenden
Fall von Interesse sind, ist der Exponential-Term in Klammern ausreichend größer
als Eins, derart, daß die Gleichung(1) sich ergibt zu: J# = c1#-5/ec2/#T .......
(2).
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Für eine Fläche eines nicht-schwarzen Körpers wird ein Emissionswert
E eingefiihrt, der die Emission um einen vorgegebenen Betrag bei jeder Wellenlänge
verringert: J ) E# c1#-5/ec2/#T ....... (3).
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häufig ändert sich das Emissionsvermögen mit der Wellenlänge über
den interessierenden Spektralbereich. Wenn cs über irgendeinen Bereich relativ konstant
ist, wird die
Fläche iiber diesem Bereich als grauer Körper bezeichnet.
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das Emissionsvermögen einer Fläche kann sich auch mit der Oberflächentextur
bzw. -struktur und dem Blickwinkel ändern und ändert sich häufig, wie bei Metallen,
mit Änderungen der Oberflächentemperatur.
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Wenn jedoch angenommen wird, daß ein Emissionsvermögen E1 eine Oberfläche
über irgendeinem Wellenlängenband charakterisiert, das bei einer Wellenläge #1 zentriert
ist, und daß das Emissionsvermögen E2 der entsprechende Wert bei einer Wellenlänge
# 2 ist, ergeben sich die Strahlungsintensitäten in den jeweiligen Bändern zu: J1
= E1c1#1-5/ec2/#1T und J2 = E2c1 #2-5/ec2/#2¹, wobei deren Verhältnis vereinfacht
werden kann zu: J1/J2 = (E1/E2) (#2/#1)5e(c2/T)(1/#2 - 1/#1).
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Die Größen #1 und #2 sind bekannt und sind konstant wie c2. Bei der
gleichen Annahme für E1 und E2 können diese zur Abkürzung durch neue Konstanten
ersetzt werden gemäß: J1/J2 = AeB/T.
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Durch Logaritmen beider Seiten ergibt sich: loge(J1/J2) =(log A) +
B/T oder
mit A = (E1/E2) (#2/#1)5 und B = c2(1/#2 - 1/#1).
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Die Gleichung (4) ist die "Arbeitsgleichung" der Verhältnis-Pyrometrie,wie
die Gleichung (3) für die "monochromatische" Pyrometrie, wobei der Unterschied darin
liegt, daß letztere das Emissionsvermögen E explizit enthält.
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Es wird ausdrücklich nochmals darauf hingewiesen, <j'tß in ersteren
Fall, obwohl sich E1 und E2 während des Verlaufs der Messungen ändern können, deren
Verhältnis konstant bleiben muß.
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Im Prinzip müssen lediglich die jeweiligen Strahlungsintensitäten
in den beiden Wellenlängenbändern über irgendeinen bestimmten Teil der Target-Fläche
gemessen werden, damit die Temperatur in diesem Bereich abgeleitet werden kann.
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Wenn die Wellenlängen-Bänder in dem Spektrum nicht weit beabstandet
sind, kann sicher angenommen werden, daß E1/E2 = 1, es sei denn, daß zuvor eine
Kenntnis über das Gegenteil vorliegt.
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In der Praxis bestehen zwei grundsätzliche Wege, die Messung durchzuführen,
jeweils mit Vor- und Nachteilen. Es kann entweder eine simultane Messung durch zwei
Detektor/Filter-Kombinationen durchgeführt werden, oder es kann ein einzelner Detektor
verwendet werden, der die Fläche sequentiell durch abwechselnde Filter "betrachtet".
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Bei dem simultanen Verfahren muß darauf geachtet werden, daß sichergestellt
ist, daß die Detektor-Ansprechverhalten ähnlich sind, oder daß irgendwelche Unterschiede
durch KalXibrieren beseitigt werden können. Das Verfahren besitzt den Vorteil, daß
keine beweglichen mechanischen Teile vorgesehen sind, und daß die Ansprechzeit des
Systems durch diejenige des grundsätzlichen Detektorsystems begrenzt ist, statt
durch Betrachtungen bezüglich der"Zerfackerfrequenz" in Zusammenhang mit den Bewegungen
der I ter. Obwohl einzelne Detektoren häufig im Zerhackerbetrieb verwendet werden,
um
Probleme bezüglichthermischer Drift zu beseitigen, kann dies
bei höheren Frequenzen erfolgen, als sie für Filterwechsel verwendbar sind.
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Das sequentielle Verfahren beseitigt jegliche Unsicherheiten bezüglich
einer möglichen Detektor-Drift, wobei jedoch Fragen bezüglich der Zuverlässigkeit
auftreten können, wenn das sich drehende oder das schwingende Filtersystem nicht
sorgfältig bestimmt und geprüft ist.
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i>as zweite Verfahren wird häufig bei massenhergestellten Zweifarben-Pyrometern
zur Verwendung durch angelerntes i>ersonal verwendet, wo die Entwicklungskosten
leicht amortisiert werden und eine periodische Kal~ibrierung nicht durchführbar
ist.
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Fiir Laboranwendungen der Bandverhältnis-Radiometrie wird das Verfahren
am besten durch Verwendung eines Zweidetektor-Systems durcllgefiillrt, zusammen
mit geeigneten Kal~ibriervorgängen, wobei dies der Bereich ist, bei dem die Erfindung
zu verwenden ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verhältnis-Radiometer der eingangs
genannten Art anzugeben, bei dem unter Überwindung der erwähten Nachteile sichere
Messungen möglich sind.
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Die Erfindung unterscheidet sich von herkömmlichen Verhl-iltnis-Radiometern
dadurch, daß zwei unterschiedliche Werkstoffe unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeitseigenschaften
in einem zweigabeligen oder zweiaderigen bzw. dreiaderigen oder dreigabeligen faseroptischen
Strahlungsleiter verwendet werden, um die gleiche Wirkung wie bei herkömmlichen
optischen Filtern zu erreichen. Dies ist
ein erheblicher Vorteil,
da es nicht immer bequem oder wirtschaftlich ist, die erwiinschten optischen Filter
zu erreichen, insbesondere für den nahen infrarotbereich von etwa 1-3 µ m. Darüber
hinaus ermöglicht die Verwendung der Fasern zur Durchführung der Filterfunktion
eine engere Anordnung der Faserbündel-Endflächen bezüglich deren jeweiligen Detektoren.
Dies wäre nicht der Fall, wenn Filter zwischen den Endflächen und den Detektoren
eingefügt sind.
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Die enge Anordnung vermeidet die Strahlungs-Streuverluste,die im Zwischenraum
auftreten würden, wenn Filter verwendet sind. Solche Verluste treten üblicherweise
auf, weil die von den meisten optischen lasern austretende l)zw. al>g<'-gebene
Strahlung in ziemlich großen Winkeln gestreut wird (üblicherweise 50° oder 60°)
im Vergleich zu anderen optischen Elementen, wie Linsen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung zweier identischer
Detektoren in den getrennten Zweigen des optischen Faserbündels. Die Verwendung
identischer Detektoren ist auf der Grundlage, daß deren physikalische und elektrische
Eigenschaften angepaßt werden können, erwünscht. Probleme werden dadurch vermienden,
die durch ungleiche Detektorgrößen,-empfindlichkeiten,-ansprechzeiten, -temperaturcharakteristiken,
-alterungseigenschaften usw.
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auftreten.
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Die Verwendung des dreiaderigen faseroptischen Leiters erreicht einen
dritten optischen Zweig, der dazu verwendet wird, ein Bild einer Lichtapertur oder
-öffnung auf die Target-Fläche in Koinzidenz mit den Detektor-Bildern zu übertragen
zur Verwendung für Richt- oder Positionierzwecke. Ein Linsen- oder ein anderes fokussierendes
System kann verwendet werden, damit die Bildung eines Bildes de.
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entfernten oder gemeisamen Endes des optischen Faserbündels auf einem
definierten Bereich eines Targets möglich ist,
dessen Temperatur
gemessen werden soll.
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Die Erfindung gibt also ein Bandverhältnis-Radiometer an, das entweder
ein zweiadriges oder ein dreiadriges optisches laserbündel verwendet, bei dem über
zwei Zweige davon die Probenstrahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen
übertragen wird. Der dritte Zweig kann dazu verwendet werden, daß eine Beleuchtung
der Target-Fläche für Richtzwecke erreicht wird durch Injizieren von Licht an dem
naheliegenden Ende dieses Zweiges. Durch diese Einrichtung können dieentfernten
Enden aller drei Bündel genau auf der Target-Fläche ohne Parallaxenproblem fokussiert
werden. Das erfindunsgsgemäße System vermeidet die Verwendung herkömmlicher optischer
filter durch Verwendung von Detektoren, die beziiglich der Wellenlängenempfindlichkeit
identisch sind1 und von optischen Fasern,die sich in ihrer Wellenlängendurchlässigkeit
unterscheiden.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 schematisch und als Blockschaltbild eine bevorzugte
Ausführungsform des- Bandverhältnis-Radiometers gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine
Darstellung der spektralen Ansprechempfindlichkeit von Bleisulfid-Detektoren bei
Raumtemperatur, Fig.3 eine Darstellung der idealen spektralen Durchlässigkeitskurven
zweier Glasarten, die bei der Herstellung des bei der Erfindung verwendeten zweiadrigen
oder dreiadrigen optischen Faserbündels verwendbar ist, Fig. 4 eine Darstellung
der effektiven spektralen Empfindlichkeit von Bleisulfid bei Verwendung ei den durch
die Kurven gemäß Fig. 3 wiederge-
Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein
dreigabeliges oder dreiadriges optisches Faserbündel 10 mit einem gemeinsamen winde
-t 1 und drei abgezweigten Enden 12,13,14. Die Enden der optischen Fasern jedes
Zweiges sind in dem gemeinsamen Ende 1 1 verschachtelt. Ein Fokussiersystem 15 mit
einer Objektivlinse 11 10 16 bildet ein Bild des gemeinsamen Endes des Bündels auf
einen definierten Bereich eines Ziels oder Targets 17 ab, dessen Temperatur zu messen
ist. Die abgezweigten Enden 12 und 13 sind in unmittelbarer Nähe entsprechender
Detektoren 18 bzw. 19,während das abgezweigte Ende 14 nahe einer Lichtquelle 20
ist. Die Detektoren 18 und 19 sind mit den Eingängen einer üblichen Teiler- und
Linearisierungsverstärkerschaltung 21 verbunden, dessen Ausgangssignal durch ein
Meßgerät 22 angezeigt werden kann.
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Jedes optische Faserbündel, das einen Zweig des dreiadrigen (dreigabeligen
) Bündels 10 bildet, besteht aus einer Gruppe kontinuierlicher haarförmiger Einzellitzen
bzw. -fasern aus klarem optischen Werkstoff, wie einem der vielen Glasarten.
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ist Jede Faser in der Lage, optische Strahlung von einem Ende zum
anderen zu übertragen, selbst wenn die Faser gebogen oder gekrümmt ist. Die Eigenschaften
derartiger Fasern sind ansich bekannt und schon häufig erläutert worden, vergleiche
beispielsweise Kapany, "Fiber Optics", Seientific American, Bd. 203 (Nov. 1960)
Nr. 5, S. 72-81.
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Es ist Zweck des Verschachtelns der Fasern an dem entfernten oder
gemeinsamen Ende 11, eine räumliche Koinzidenz der Bilder der beiden Detektoren
18 und 19 und der Lichtquelle 20 an diesem Ende 11 zu erreichen. Jedes "Bild" besteht
in diesem Fall aus den verwürfelten Bildelementen desjenigen Objekts, auf das die
anderen Enden der Fasern gerichtet sein mögen. Das entfernte Ende 1 1 <les Bündels
s führt daher verwürfelte Bildelemente von beiden Detek-11 toren 18, 19 und der
Lichtquelle 20. Wenn dieses Ende wiederum
auf einen definierten
Abschnitt einer Targot-Oberfläche mittels beispielsweise der Linse l(> wieder-abgebildet
wird, ist sichergestellt, daß die Detektoren 18,19 und die Lichtquelle 20 alle auf
den gleichen Abschnitt abgebildet werden.
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Auf diese Weise wird das Problem eines Parallaxen-Fehlers vermieden,
der auftritt, wenn zwei Detektoren, und möglicherweise eine Ziel- bzw. Richteinrichtung,
getrennt zu einem bestimmten Target-Bereich gerichtet und auf diesen fokussiert
sind. In einem solchen Fall müssen, wenn ein neuer Target-Abstand verwendet werden
soll, alle drei Einrichtungen von neuem ausgerichtet und von neuem fokssiert werden.
Bei der erfindung muß lediglich eine Linse bei -einem neuen Target-Allstarl(l von
neuem fokussiert werden.
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I)erjenige, der mit der Faseroptiv vertraut ist, erkennt, daß es nicht
möglich ist, eine vollkommene Verwürfelung der getrennten Bilder an dem entfernten-Ende
11 des Bündels 10 zu erreichen. Zum Teil besteht die Ursache darin, daß das Vermischen
der Faserenden von Hand während der Herstellung erfolgt, und daß es schwierig ist,
zufällige örtliche Anhäufungen von Fasern des gleichen Zweiges zu vermeiden.
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I)ariiber hinaus besitzen, selbst wenn das Mischen gleichförmig wäre,
die einzelnen Faserenden endliche Größe, weshalb das auf das Target projizierte
Bild eine "Mikrostruktur" bzw. Körnung besitzt.
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In Fällen, in denen dies problematisch sein kann, ergibt sich eine
Lösung durch die Verwendung eines "optischen Mischers" oder "Homogenisators" in
Form eines kurzen Längenabschnittes eines lichtdurchlässigen Stabes, dessen Wände
d den optisch poliert sind. Dessen Durchmesser ist annähernd der der Faserbundelendfläche,und
dessen Länge kann einem mehrfachen dessen Durchmessers gleich sein. Zur Verwendung
mit infrarotübertragenden Fasern kann ein derartiger
Stab aus Saphir,
Quarz, Rubin oder einem anderen infrarotübertragenden oder infrarotdurchlässigen
Werkstoff bestehen1 der bekannt ist.
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Ein derartiger Stab dient daher als einzelfaser großen Durchmessers.
Die Strahlung wird vom Ende zum Ende iiberwiegend durch interne Reflektion von den
Seitenwänden übertragen, und zwar umso mehr, um so länger der Stab ist.
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Durch diese Einrichtung wird eine bessere Mischung der Strahlungswege
von den einzelnen Fasern sichergestellt.
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Im Gebrauch wird der Stab in Berührung mit oder in Annäherung an die
entfernte Endfläche des Faserbündels angeordnet. Dessen anderes Ende muß dann auf
den definierten Target-Bereicl fokussiert werden.
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Bezüglich der Strahlungsdetektoren selbst sind zahlreiche derartige
Detektoren dem Fachmann auf dem Gebiet optischer Erfassung bekannt mit verschiedenen
physikalischen Eigenschaften einschließlich spektraler Empfindlichkeit, Strahlungsempfindlichkeit,
Ansprechzeit, Rauschpegel, Umgebungstemperaturempfindlichkeit usw. Unter diesen
besteht im Rahmen der vorliegenden Untersuchung primär es Interesse an spektralen
Eigenschaften. Neben den bekannten Valcuum-und gasgefüllten Dioden und den Fotomultiplizierern,
die bezüglich Ultraviolett- und sichtbarem Licllt empfindlich sind, gibt es viele
andere Detektoren, die licht- und/oder infrarotempfindlich sind. Sie sind sehr häufig
Festkörpereinrichtungen, deren Eigenschaften von der Wahl des Werkstoffs abhängen,
aus dem sie hergestellt sind. Als Werkstoffe gibt es Kadmiumsulfid und Kadmiumselinid
für sichtbares Licht und nahes Infrarot, Silizium, Germanium und Bleisulfid längerwelliges
Infrarot, Bleiselind, Indiumantimonid, golddotiertes Germanium und andere, deren
spektrale Empfindlichkeiten sich zunehmend weiter in den
1nfrarotbercich
erstrecken (je niedriger die Target-Temperatur ist, um so größer ist die Wellenlänge,
auf die der Detektor ansprechen muß).
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l)aneben gibt cs den iiblichen Thermopaar-Detektor in seinen verschiedenen
Formen, sowie verschiedene Thermistor-Detektoren und neuere pyroelektrische Detektoren,
wobei die letzteren eine Spannung abhängig von einer Temperaturänderung erzeugen.
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Ein besonderes Merkmal der Erfindung liegt darin, daß identische Detektorarten
verwendet werden und die optischen Filter <l-'<iurch beseitigt werden, dnß
die gegabelten oder verzweigten Bündel, die zu den Detektoren führen, aus geeignetem
unterschiedlichen Glas gebildet sind. Ein Beispiel wird für den Fall eines Bleisulfid-Detektors
gegeben, dessen spektrale Empfindlichkeit bei Raumtemperatur in Fig. 2 wiedergegeben
ist. f)i.e spektralenDurchlctssigkeiten zweier verschiedener Glastypen, Borsilikatglas
A und Quarz B, sind in Fig. 3 dargestellt. Wenn der Bleisulfid-Detektor mit jedem
dieser Gliser abwechselnd verwendet ist, ist seine spektrale Ansprecllempfindlichkeit
bzw. sein spektrales Ansprechverhalten durch die jeweiligen Kurven in Fig. 4 wiedergegeben.
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rs zeigt sich, daß diese Kurven einen Überlappungsbereich besitzen
und nicht getrennte Wellenlängenintervalle einnehmen, wie das allgemein bei der
Zweiwellenlängen-Radiometrie der Fall ist. Jedoch ist die Betriebstheorie trotzdem
in annähernder Weise anwendbar. Man muß sich nur vorstellen, daß jede der Kurven
durch eine schmale Spektrallinie in deren Schwer)unkt ersetzt ist, wobei diese Linien
annähernd die beiden effektiven Wellenlängen des Systems wiedergeben.
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Es sei nun der Fall betrachtet, in dem das dritte Faserbündel zur
Beleuchtung der Target-Fläche verwendet wird, um das Zielen
bzw.
Richten der optischen Probe zu erleichtern. Es kommt sehr häufig vor, daß die Beleuchtungsquelle,
die verwendet wird, ausreichende Infrarotstrahlung innerhalb des Spektralbereiches
der Detektoren enthält, die einen "Hintergrundpegel" verursacht, der irgendeinem
thermischen Signal von dem Target überlagert ist. In einem solchen Fall ist es allgemein
üblich, die Beleuchtungsquelle zum anfänglichen Positionieren der Probe zu verwenden
und sie dann abzuschalten, wenn die tatsächlichen Messungen durchgeführt werden.
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In vielen Fällen ist es erwünscht, die Beleuchtungsquelle während
der Messungen eingeschaltet zu lassen, um sicher festellen zu können, daß die Probe
noch in der richtigen Lage oder Positionierung ist. Für solche Fälle wird vorgeschlagen
"kaltes Licht" zu verwenden, aus dem der Infrarotanteil durch optisches Filtern
entfernt werden ist, und auch jedes Ansprechen auf sichtbares Licht durch die Detektoren
mittels weiterem op-tischen Filtern zu uiiterdrücken. Die Verwendung von infrarotabsorbierenden
und sichbares Licht durchlassenden Filtern ist ansich bekannt.
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Typisch handelt es sich dabei um entweder Absorptions- oder Interferenz-Filter,
die häufig auch als "Wärmeabsorptions"-Filter bezeichnet werden, die in Dia-Projektoren
und dergleichen verwendet werden. Es ist lediglich erforderlich, einen davon irgendwo
in dei optischen Weg zwischen der Lichtquelle 20 und dem entlern-ten oder gemeinsamen
azide 11 des Beleuchtungszweiges des Faserbündels einzusetzen, um einen Zielfleck
mit geringstem Infrarotanteil zu erreichen.
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Gleichzeitig kann das Ansprechen bezüglich sichtbarem Licht der Detektoren
durch Verwendung irgendeines der zahlreichen infrarotdurchlässigen, sichtbares Licht
absorbierenden Filter, die dem Fachmann bekannt sind, unterdrück werden.
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In ähnlicher Weise können diese irgendwo in dem emfpangsseitigen
optischen
Weg eingesetzt sein. Bei der Auswahl dieser beiden obigen Filterarten muß darauf
geachtet werden, daß sichergestellt ist, daß deren jeweilige Durchlässigkeitsbereiche
sich nicht überlappen.
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